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Die
Erfindung betrifft eine keramische Tellerfeder, mit einem Ringkörper, der
einen Innenrandbereich und einen Außenrandbereich aufweist.
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Tellerfedern
werden heutzutage fast in allen Bereichen der Technik eingesetzt.
Ein charakteristisches Merkmal von Tellerfedern ist der hohe Kraftaufbau
bei kleinen Wegen. Ein weiterer Vorteil besteht in dem geringen
Platzbedarf. Meist werden mehrere Tellerfedern zu Säulen geschichtet.
Die Beanspruchung erfolgt dabei in Achsrichtung.
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Tellerfedern
sind abhängig
von dem Anforderungsprofil in aller Regel aus metallischen Werkstoffen
hergestellt. Es wurde gefunden, dass metallischen Werkstoffen trotz
ihrer großen
Bandbreite Grenzen gesetzt sind. Dies gilt zum einen für die Korrosionsbeständigkeit
und zum anderen für
die Temperaturbeständigkeit.
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Der
Erfindung liegt ausgehend von dem bekannten Stand der Technik die
Aufgabe zugrunde, eine Tellerfeder zu schaffen, deren zuverlässige Funktion
auch bei höheren
Temperaturen und/oder aggressiven Umgebungsbedingungen gewährleistet ist.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch eine keramische Tellerfeder, mit einem Ringkörper, der
einen Innenrandbereich und einen Außenrandbereich aufweist, wobei
die Tellerfeder dadurch gekennzeichnet ist, dass im Außenrandbereich
mindestens ein Anschlag zur Begrenzung des Federwegs angeordnet ist.
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Das
keramische Material für
Tellerfedern ermöglicht
gegenüber
metallischen Tellerfedern den Einsatz bei höheren Temperaturen, da der
Federweg keramischer Tellerfedern unter Temperatureinfluss bis 800°C nicht so
stark zunimmt wie bei metallischen Tellerfedern. Dadurch sind Anwendung
beispielsweise im Ofenbau oder anderen Hochtemperaturbereichen möglich. Darüber hinaus
weisen keramische Tellerfedern eine hohe Resistenz gegenüber Säuren, Basen
und anderen aggressiven Medien auf, so dass insoweit die erfindungsgemäßen Tellerfedern
auch im Bereich der Chemieindustrie eingesetzt werden können.
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Keramischen
Tellerfedern sind trotz ihrer vielseitigen Einsetzbarkeit materialbedingt
Grenzen bei der Verformung gesetzt. Sie weisen einen linear elastischen
Verformungsbereich auf, der auf Grund der nur sehr gering duktilen
Materialeigenschaften kleiner ist als bei Metallen.
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Tellerfedern
brechen daher bei einer Überbeanspruchung
spontan. Besonders kritisch sind dabei Zugbeanspruchungen.
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Zur
Vermeidung eines Bruches aufgrund von Überbelastung ist erfindungsgemäß mindestens
ein Anschlag vorgesehen, der den Federweg begrenzt. Da der Federweg
im Außenbereich
der Tellerfeder auf Grund der Hebelwirkung größer ist als am Innendurchmesser,
ist der Anschlag vorteilhaft im Außenbereich angeordnet. Durch
den Anschlag wird gewährleistet,
dass die Feder stets nur in unkritischen Grenzen belastet wird,
so dass eine Überbeanspruchung,
insbesondere eine Überdehnung,
ausgeschlossen werden kann.
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Im
Ergebnis schafft die Erfindung eine Tellerfeder, deren zuverlässige Funktion
insbesondere auch bei höheren
Temperaturen und/oder aggressiven Umgebungsbedingungen gewährleistet
ist.
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Der
Anschlag kann vielseitig ausgebildet sein. Vorzugsweise ist er ein
integraler Bestandteil der Tellerfeder. Den Anschlag wird man also
bereits bei der Formgebung der keramischen Tellerfeder berücksichtigen.
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Vorteilhafterweise
geht der Anschlag als stegartiger Ansatz von dem Ringkörper ab.
Der Ansatz erstreckt sich in Belastungsrichtung der Tellerfeder. Die
Höhe des
Ansatzes definiert zweckmäßig den Federweg
und wird an den jeweilig verwendeten keramischen Werkstoff angepasst.
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Bei
der Konstruktion des Anschlags ist auch dessen Stabilität und Verschleißfestigkeit
zu berücksichtigen.
Insoweit wird vorgeschlagen, dass sich der Anschlag zumindest entlang
eines Teilabschnitts des Außenumfangs
der Tellerfeder erstreckt. Dabei schließt der Anschlag vorzugsweise
mit dem Außenumfang
des Scheibenkörpers
ab und bildet seinerseits einen Teil des Außenumfangs der Tellerfeder.
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Grundsätzlich reicht
zur Begrenzung des Federwegs bereits ein Anschlag aus. Der Anschlag kann
sich beispielsweise über
den gesamten Umfang der Tellerfeder erstrecken. Es wurde jedoch
als besonders vorteilhaft gefunden, mehrere einzelne Anschläge vorzusehen.
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Insbesondere
hat es sich als vorteilhaft erwiesen, drei Anschläge vorzusehen.
Die drei Anschläge
bilden bei Anlage an einer Begrenzung eine stabile und statisch
bestimmte Anordnung. Dies gilt vor allem dann, wenn die Anschläge in einem
Winkel von 120° zueinander
angeordnet sind, wie es in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen
wird. Die Teilung von 120° bedeutet,
dass die Anschläge
gleichmäßig zueinander
verteilt sind und damit auch der Scheibenkörper im Anschlag gleichmäßig belastet wird.
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Eine
besonders bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlag eine
Anschlagfläche
aufweist, die derart ausgebildet ist, dass sie in der Anschlagstellung der
Tellerfeder an einem Gegenanschlag, insbesondere einer Zwischenscheibe
oder der benachbarten Tellerfeder flächig anliegt. Eine derartige
Konstruktion ist insoweit besonders vorteilhaft, als durch die flächige Anlage
der Anschlagfläche
keine Spannungsspitzen im Berührungsbereich
entstehen und die Gesamtkonstruktion dadurch geschont wird. Bevorzugt wird
die Anlage an der benachbarten Tellerfeder, da eine Zwischenscheibe
zusätzlichen
Platz erforderlich macht.
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Es
wird angestrebt, dass die Anlageflächen vollflächig aneinander anliegen. Im
Rahmen der Erfindung liegt es, wenn sich die Flächen im Wesentlichen flächig berühren. Im
Vordergrund der erfindungsgemäßen Anordnung
steht die Erkenntnis, dass durch den Anschlag grundsätzlich eine Überbelastung
vermieden wird und darüber
hinaus durch die Abstimmung der Auflageflächen Spannungsspitzen unterbunden
werden. Für
die (spätere)
Anlage im Betrieb der Tellerfedern ist eine vorherige Voreinstellung der
Anschlagfläche
erforderlich.
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Die
gleichen Überlegungen
gelten auch für den
Innenrandbereich und den Außenrandbereich. Vorteilhafterweise
weisen diese in der Anschlagstellung, also bei max. Krafteinwirkung,
eine plane Auflagefläche
auf. Durch die planen (ebenen) Auflageflächen werden Spannungsspitzen
durch Punktberührung
vermieden. Alle drei möglichen
Kontaktflächen (Innen,
Außen
und Endanschlag) werden daher bereits im unbelastetem Zustand so
ausgeformt, dass die entstehende Verformung im Kontaktbereich der Tellerfeder
und des Endanschlags berücksichtigt wird.
Durch die erfindungsgemäße Konstruktion
wird bei steigender Last der Kontakt zunehmend unkritischer.
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Die
Erfindung betrifft eine Tellerfeder. Die Erfindung umfasst darüber hinaus
auch eine Mehrzahl von Tellerfedern, die in der Praxis säulenartig übereinander
gestapelt werden. Dabei unterscheidet man zwischen gleichsinniger
(Parallelschaltung) und wechselsinniger (Reihenschaltung) Schaltung.
Durch die gleichsinnige Schaltung können hohe Kräfte erreicht
werden; bei der wechselsinnigen Schaltung kann ein größerer Federweg
erreicht werden.
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Eine
besonders bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Tellerfederpakets
ist dadurch gekennzeichnet, dass zwei Tellerfedern jeweils in ihrem
Innenrandbereich aneinander anliegen (Reihenschaltung). Es können wiederum
mehrere dieser Zweierpacks übereinander
gestapelt werden. Die Auflageflächen
in den Innenrandbereichen liegen bei den Zweierpacks aufeinander
auf. Es ergibt sich die zuvor bereits geschilderte spannungsspitzenarme
Konstruktion.
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Vorzugsweise
sind bei einem Tellerfederpaket die Anschläge der Tellerfedern einander
zugewandt. Insbesondere können
die Anschläge
von zwei Tellerfedern einander gegenüberliegen. Die Anschläge bilden
also zwischen sich einen Spalt, der dem Federweg des Tellerfederpakets
entspricht. Bei Volllast liegen die einander gegenüberliegenden
Anschlagflächen
auf einander auf, wobei – wie
zuvor beschrieben – die
Anschlagflächen
so aufeinander abgestimmt sein können,
dass sie einander flächig
berühren.
Ungewollte Spannungsspitzen werden dadurch vermieden. Im Rahmen
der Erfindung liegt es, zwischen den Tellerfedern eine Zwischenscheibe vorzusehen,
wobei dann die Anschlagflächen
einander nicht direkt berühren,
sondern an der Zwischenscheibe anliegen.
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Zuvor
wurden Tellerfeder beschrieben, die sich für eine Reihenschaltung eignen.
Die Erfindung umfasst darüber
hinaus auch Tellerfedern, die sich für eine Parallelschaltung eignen.
Bei dieser werden mehrere Tellerfedern gleichsinnig ineinandergeschachtelt.
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Zur
Lösung
der eingangs genannten Aufgabe ist die gattungsgemäße Tellerfeder
erfindungsgemäß ferner
dadurch gekennzeichnet, dass im Innenrandbereich mindestens ein
Anschlag zur Begrenzung des Federwegs angeordnet ist.
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Wie
bereits zuvor beschrieben, dient der Anschlag zur Begrenzung des
Federwegs und schützt die
Tellerfeder vor einem eventuellen Bruch durch Überlastung. Insoweit wird auf
die vorstehenden Ausführungen
Bezug genommen.
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Der
Anschlag kann vielseitig ausgebildet sein. Vorzugsweise ist er ein
integraler Bestandteil der Tellerfeder. Den Anschlag wird man also
bereits bei der Formgebung der keramischen Tellerfeder anformen.
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Vorteilhafterweise
geht der Anschlag als stegartiger Ansatz von dem Ringkörper ab.
Der Ansatz erstreckt sich in Belastungsrichtung der Tellerfeder. Die
Höhe des
Ansatzes definiert zweckmäßig den Federweg
und wird an den jeweilig verwendeten keramischen Werkstoff angepasst.
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Bei
der Konstruktion des Anschlags ist auch dessen Stabilität und Verschleißfestigkeit
zu berücksichtigen.
Insoweit wird vorgeschlagen, dass sich der Anschlag zumindest entlang
eines Teilabschnitts des Innenumfangs der Tellerfeder erstreckt.
Dabei schließt
der Anschlag vorzugsweise mit dem Innenumfang des Scheibenkörpers ab
und bildet seinerseits einen Teil des Innenumfangs der Tellerfeder. Gleichermaßen möglich ist
ein geringer Abstand zwischen dem Innendurchmesser und dem Anschlag.
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Grundsätzlich reicht
zur Begrenzung des Federwegs bereits ein Anschlag aus. Der Anschlag kann
sich beispielsweise über
den gesamten Umfang der Tellerfeder erstrecken. Es wurde jedoch
als besonders vorteilhaft gefunden, mehrere einzelne Anschläge vorzusehen.
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Insbesondere
hat es sich als vorteilhaft erwiesen, drei Anschläge vorzusehen.
Die drei Anschläge
bilden bei Anlage an einer Begrenzung eine stabile und statisch
bestimmte Anordnung. Dies gilt vor allem dann, wenn die Anschläge in einem
Winkel von 120° zueinander
angeordnet sind, wie es in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen
wird. Die Teilung von 120° bedeutet,
dass die Anschläge
gleichmäßig zueinander
verteilt sind und damit auch der Scheibenkörper im Anschlag gleichmäßig belastet wird.
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Eine
besonders bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlag eine
Anschlagfläche
aufweist, die derart ausgebildet ist, dass sie in der Anschlagstellung der
Tellerfeder an einem Gegenanschlag, insbesondere auf einem Untergrund,
einer Zwischenscheibe oder einer benachbarten Tellerfeder flächig anliegt. Wie
zuvor geschildert, ist derartige Konstruktion insoweit besonders
vorteilhaft, als durch die flächige
Anlage der Anschlagfläche
keine Spannungsspitzen im Berührungsbereich
entstehen und die Gesamtkonstruktion dadurch geschont wird.
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Die
Tellerfedern können
so ausgebildet sein, dass sie in der Anschlagstellung im Innenrandbereich
eine plane Auflagefläche
für eine
benachbarte Tellerfeder aufweist. Es kann ferner vorgesehen sein, dass
die Tellerfeder in der Anschlagstellung im Außenrandbereich eine plane Auflagefläche aufweist. Beide
Maßnahmen
dienen dazu, in der Anschlagstellung eine möglichst vollflächige Anlage
zu gewährleisten,
um Spannungsspitzen abzubauen.
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Die
erfindungsgemäßen Tellerfedern
lassen sich gleichsinnig (in gleicher Orientierung) ineinanderschachteln.
Die Erfindung umfasst mithin auch ein Tellerfederpaket, bei dem
mehrere Tellerfedern gleichsinnig ineinandergeschachtelt sind, wobei
die den Anschlag aufweisende Tellerfeder zur Begrenzung des Federweges
endseitig angeordnet ist.
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Vorzugsweise
stützt
sich der Anschlag der Tellerfeder in der Anschlagstellung an einem
Gegenanschlag, insbesondere einem Untergrund, einer Zwischenscheibe
oder einer gegenüberliegenden Tellerfeder
ab. Es besteht die Möglichkeit,
lediglich ein Federpaket mit gleichsinnigen Tellerfedern einzusetzen.
Dann wird sich der Anschlag auf einem Untergrund abstützen.
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Alternativ
wird ein zweites Federpaket mit ebenfalls gleichsinnigen Tellerfedern,
jedoch in entgegengesetzter Orientierung eingesetzt, dass sich gegen
das erste Federpaket abstützt.
Dann wird sich der Anschlag an einer Zwischenscheibe oder besonders
vorteilhaft direkt an der gegenüberliegenden endseitigen
Tellerfeder abstützen,
und zwar entweder an der Tellerfeder selbst oder an einem gegenüberliegenden
Anschlag, wie es bevorzugt wird.
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Wie
bereits zuvor ausgiebig erläutert,
wird es als vorteilhaft angesehen, dass der Anschlag eine Anschlagfläche aufweist,
die derart ausgebildet ist, dass sie in der Anschlagstellung der
Tellerfeder flächig
an einem Gegenanschlag, insbesondere einem Untergrund, einer Zwischenscheibe
oder dem Innenbereich oder Anschlag einer gegenüberliegenden Tellerfeder anliegt.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
im Zusammenhang mit der anhängenden
Zeichnung näher
erläutert.
Die Zeichnung zeigt in:
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1 in
einer Schnittdarstellung ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tellerfeder
im unbelasteten Zustand;
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2 das
Detail X aus 2;
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3 eine
Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel
nach 1;
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4 in
einer Schnittdarstellung ein erstes Ausführungsbeispiel eines Tellerfederpakets
im unbelasteten Zustand;
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5 das
Detail X aus 4;
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6 in
einer Schnittdarstellung das Tellerfederpaket nach 4 im
belasten Zustand;
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7 das
Detail X aus 6; und
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8 ein
zweites Ausführungsbeispiel
eines Tellerfederpakets.
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1 zeigt
eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Tellerfeder im unbelasteten
Zustand. Die Tellerfeder ist als kegeliger Ringkörper 1 ausgebildet,
der einen Innenrandbereich 2 und einen Außenrandbereich 3 aufweist.
Im Außenrandbereich 3 ist
ein Anschlag 4 zur Begrenzung des Federweges angeordnet,
wie es im Folgenden noch näher
erläutert
wird.
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2 zeigt
das Detail X aus 2. Der Anschlag 4 ist
integral mit der Tellerfeder ausgebildet und erstreckt sich als
stegartiger Ansatz von dem Ringkörper 1.
Der Anschlag 4 weist eine Anschlagfläche 5 auf, die im
entspannten Zustand leicht nach außen abfällt.
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3 zeigt
eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Tellerfeder. Auf dem Ringkörper sind in
einem Winkel von 120° drei
Anschläge 4 angeordnet,
die folglich zueinander den gleichen Abstand aufweisen. Die Anschläge 4 schließen mit
dem Außendurchmesser
des Ringkörpers 1 ab.
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Es
wird auf die 4 und 5 Bezug
genommen, wobei 4 ein Federpaket von zwei erfindungsgemäßen Tellerfedern
und 5 das Detail X aus 4 zeigt.
Die Tellerfedern sind in einer Reihenschaltung angeordnet und liegen
in ihren Innenrandbereichen aufeinander auf. Die Ringkörper 1 divergieren
zu ihrem Außendurchmesser
hin, wobei die Anschläge 4 einander
zugewandt sind.
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Wie
auch aus 5 zu sehen, liegen die Anschläge 4 der
beiden Tellerfedern einander gegenüber. Die Anschläge 4 begrenzen
zwischen sich den maximal möglichen
Federweg. Bei Erreichen der Endstellung der Anschläge liegen
die Anschlagflächen 5 aufeinander
auf, wie es im Zusammenhang mit den Zeichnungen 6 und 7 noch
näher erläutert wird.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass im entspannten Zustand
die Anschlagflächen 5 nicht parallel
zueinander ausgerichtet sind, sondern nach außen auseinanderlaufen.
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Der
Abstand der beiden Anschläge 4 ist
in den Figuren aus Anschaulichkeitsgründen etwas vergrößert dargestellt.
In der Praxis kann er – materialbedingt – kleiner
gewählt
werden, wobei auch Ausführungsformen
möglich
sind, bei denen die beiden Anschläge 4 im Innenrandbereich
(fast) aneinander anliegen, während
im Außenrandbereich
grundsätzlich
ein Abstand gegeben ist.
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6 und 7 zeigen
das Tellerfederpaket in einem belasteten Zustand, und zwar in der
Anschlagstellung, die den Federweg der Tellerfedern begrenzt. Hierbei
sind die Außenrandbereiche
in Richtung der Pfeile P aufeinandergedrückt. Wie es insbesondere in 7 zu
sehen ist, liegen die Anschlagsflächen 5 der Anschläge 4 flächig aneinander an.
Diese Stellung muss vor der Herstellung der Tellerfedern bestimmt
werden, damit die Anschlagsflächen 5 so
angeordnet werden können,
dass in der Anschlagstellung die Anschlagsflächen flächig anliegen.
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Bei
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel liegen
die Anschlagsflächen 5 unmittelbar
aneinander an. Das vorliegende Ausführungsbeispiel wird als besonders
vorteilhaft angesehen. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass zwischen
den Anschlägen 4 beispielsweise
auch eine (nicht gezeigte) Zwischenscheibe als Gegenanschlag vorgesehen
sein kann.
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Im
Rahmen des Erfindungsgedankens sind mehrere der gezeigten Federpakete
eingeschlossen, die übereinandergestapelt
werden können.
Die einzelnen (Zweier-)Pakete liegen dann in den Randbereichen 3 aufeinander
auf. Auch in diesen Bereichen können
sich Spannungsspitzen aufbauen, die erfindungsgemäß dadurch
vermieden werden, dass im Randbereich eine Auflagefläche 6 vorgesehen
ist, die in der Anschlagstellung flächig an der Auflagefläche einer
benachbarten Tellerfeder anliegt, und zwar vorzugsweise plan. Aus Übersichtsgründen ist
die Auflagefläche 6 nur
in den 5 und 7 eingezeichnet.
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Bei
dem dargestellten Tellerfederpaket soll schließlich auch die spannungsfreie
Auflage der beiden Tellerfedern gewährleistet sein. Hierzu weisen die
Tellerfedern im Innenrandbereich 2 eine Auflagefläche 7 auf,
die in der Anschlagstellung vorzugsweise plan an der Anlagefläche 7 der
benachbarten Tellerfeder anliegt. Aus Übersichtsgründen ist die Auflagefläche lediglich
in 1 eingezeichnet.
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Als
Material für
die erfindungsgemäßen Tellerfedern
kommt jedes keramisch Material in Frage, beispielsweise Zirkonoxid,
Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Alumina Thoughened Zirconia-ATZ).
Als besonders vorteilhaft wird ZrO2 angesehen,
das denselben E-Modul wie Stahl hat.
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8 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Tellerfederpakets,
das vorliegend parallel geschaltete gleichsinnige Tellerfedern aufweist.
Die Belastung erfolgt in Richtung des Pfeils P. Das Tellerfederpaket
weist eine Mehrzahl von Tellerfedern 8 auf, die eine herkömmliche
kegelige Form haben. An unterster Stelle ist eine Tellerfeder 9 angeordnet,
die in dem Innenrandbereich 10 erfindungsgemäß einen
Anschlag 11 aufweist. Der Anschlag 11 geht als
stegartiger Ansatz von dem Ringkörper
ab und dient zur Begrenzung des Federwegs.
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Der
Anschlag 11 weist eine Anschlagfläche 12 auf, die derart
ausgebildet ist, dass sie in der Anschlagstellung der Tellerfeder
flächig
an einem Gegenanschlag, insbesondere einem Untergrund, einer Zwischenscheibe
oder an einer benachbarten Tellerfeder, anliegt. Ein Untergrund
kommt dann in Frage, wenn das Federpaket auf dem Untergrund aufliegt. Alternativ
kann ein gegensinniges Federpaket in Parallelschaltung vorgesehen
sein, so dass dann in der Anschlagstellung die Anschlagflächen 12 aneinander anliegen.
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Auf
ihrer Oberseite ist die Tellerfeder 9 so ausgebildet, dass
sie in der Anschlagstellung – also bei
maximaler Beanspruchung – mit
ihrer Auflagefläche 13 flächig an
der benachbarten Tellerfeder 8 anliegt.
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Die
Tellerfeder 9 weist ferner eine Auflagefläche 14,
mit der die Tellerfeder in der Anschlagstellung flächig an
der benachbarten Tellerfeder 8 anliegt.
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Die
Anlagefläche 15 ist
ebenfalls so ausgebildet, dass in der Anlagestellung die Anlagefläche flächig auf
dem Untergrund aufliegt.